CN101249299A

CN101249299A - 离子束三维适形调强治疗中改变展宽Bragg峰宽度的方法

Info

Publication number: CN101249299A
Application number: CN 200810017570
Authority: CN
Inventors: 李强; 刘新国; 肖国青
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2008-08-27

Abstract

本发明涉及一种离子束三维适形调强治疗中改变展宽Bragg峰宽度的方法。迷你型脊形过滤器垂直放置于束流线中，置于患者体表前，与肿瘤靶区的中心处于束流轴线上，平行入射的离子束通过在脊形过滤器中的多重散射，达到距迷你型脊形过滤器设置到治疗装置中心≥65cm的位置中心处横向上的剂量均匀时，以迷你型脊形过滤器中部垂直山脊的方向为轴，旋转迷你型脊形过滤器一个角度θ。本发明根据肿瘤靶区的大小，灵活改变展宽Bragg峰的宽度，来改变肿瘤靶区分层的厚度，达到节省照射治疗时间和提高照射治疗剂量的控制精度。从而提高了离子束治疗装置每天接受患者治疗的能力，减少离子束治疗的费用。

Description

离子束三维适形调强治疗中改变展宽Bragg峰宽度的方法

技术领域

本发明涉及离子束对肿瘤靶区实施三维适形调强照射治疗中改变展宽Bragg峰宽度的方法。

背景技术

离子束(质子和重离子)以其倒转的深度剂量分布、侧向散射小、较高的相对生物学效应(RBE)和低的氧增比(OER)等特点，使离子束治癌成为当今国际上先进、有效的放射治疗方法。在离子束治癌项目当中，连接离子加速器装置和临床治疗的硬件设备为束流配送系统，当前主要有两种类型的束流配送系统，即束流横向扩展的被动型束流配送系统和束流扫描的主动型束流配送系统，应用于离子束治癌可分别实现对肿瘤靶区的三维适形和适形调强照射治疗。无论是利用被动型还是主动型束流配送系统进行离子束的三维适形调强照射治疗，都需要有迷你型脊形过滤器(mini ridge filter)将加速器提供的单能离子束尖锐的Bragg峰进行适当展宽，得到一个展宽的Bragg峰(spread-out Bragg peak，SOBP)以适应沿束流方向上划分的肿瘤靶区断层的厚度。通过加速器或射程移位器改变束流能量，对肿瘤靶区实施由深层到浅层地逐层照射治疗，这一照射治疗过程如图1所示。已有研究表明，采用迷你型脊形过滤器将单能束流尖锐的Bragg峰适当展宽为高斯型分布的SOBP，在通过改变束流能量使其由深层到浅层照射肿瘤靶区的过程中，可允许有小的误差和不确定性。因此，在目前的离子束治癌实际应用当中，设计的迷你型脊形过滤器将较低能量离子束(例如90MeV/u的碳离子束)的Bragg峰展宽为高斯型分布的SOBP，由该迷你型脊形过滤器对高能离子束Bragg峰的展宽效果同样为高斯型分布的SOBP。因为高能离子束Bragg峰的宽度主要是由能量损失岐离引起，能量损失岐离符合高斯分布，两个高斯分布(一个来自迷你型脊形过滤器对束流的调制，另一个来自高能束流的能量损失岐离)的卷积仍然为高斯型分布。迷你型脊形过滤器对较低能量离子束Bragg峰展宽得到的高斯型分布SOBP的半高宽(FWHM)决定了对肿瘤靶区分层的厚度，肿瘤靶区每一分层的厚度(d)为高斯型分布SOBP半高宽的一半，即：

d＝FWHM/2 (1)

若肿瘤靶区在束流方向上的厚度为L，则需要改变束流能量从深层到浅层由高斯型分布SOBP照射靶区的次数N为：

N＝int(L/d)+1 (2)

(2)式中int(L/d)为L除以d后取整。这样照射完毕后肿瘤靶区的剂量均匀性满足临床治疗的要求。可以看到，对肿瘤靶区的分层受制于迷你型脊形过滤器对较低能离子束Bragg峰的展宽形成的高斯型分布SOBP的半高宽，从而在离子束三维适形调强照射治疗时，并不能根据肿瘤靶区的大小灵活改变肿瘤靶区分层的厚度。

可是，在实际的临床治疗当中，肿瘤靶区有大有小，采用固定宽度的展宽Bragg峰对肿瘤靶区实施分层的离子束适形调强照射治疗就显得不够灵活。特别是肿瘤靶区较大时，不仅肿瘤靶区分层增多导致照射治疗时间增加，而且接近体表的一些靶区分层的照射剂量较小，从而束流控制系统对这些断层治疗时的剂量控制精度就会降低。如何根据肿瘤靶区的大小，灵活地改变肿瘤靶区分层的厚度，即展宽Bragg峰的宽度，是本发明解决的的技术问题。

发明内容

为充分发挥离子束应用于放射治疗的优势，改进目前使用迷你型脊形过滤器仅仅是得到固定宽度展宽Bragg峰的不足，本发明旨在提供一种离子束对肿瘤进行三维适形调强治疗时灵活改变展宽Bragg峰宽度的方法。它根据肿瘤靶区的大小；灵活改变展宽Bragg峰的宽度，从而可根据肿瘤靶区的大小来改变肿瘤靶区分层的厚度，达到节省照射治疗时间和提高照射治疗剂量的控制精度，使得离子束在对肿瘤三维适形调强照射治疗的应用中更加灵活可靠，为在我国发展代表先进、有效的放射治疗技术—离子束治癌项目奠定坚实的基础。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

一种离子束三维适形调强治疗中灵活改变展宽Bragg峰宽度的方法，迷你型脊形过滤器垂直放置于束流线中，置于患者体表前，与肿瘤靶区的中心处于束流轴线上，平行入射的离子束通过在脊形过滤器中的多重散射，达到距迷你型脊形过滤器设置到治疗装置中心≥65cm的位置中心处横向上的剂量均匀时，以迷你型脊形过滤器中部垂直山脊的方向为轴，旋转迷你型脊形过滤器一个角度θ，旋转的角度可在0°～90°之间变化，从而达到对展宽Bragg峰宽度的灵活改变。

迷你型脊形过滤器作为一种静态器件，垂直放置于束流线中使用，适用于同步加速器提供的脉冲式的离子束和回旋加速器提供的近似无时间结构的离子束，平行入射的离子束通过在脊形过滤器中的多重散射，达到距迷你型脊形过滤器有一定距离治疗装置等中心处横向上的剂量均匀，如图2所示。这样迷你型脊形过滤器的高度(H)就决定了展宽Bragg峰的宽度。若以迷你型脊形过滤器中部垂直山脊的方向为轴，旋转迷你型脊形过滤器一个角度θ，如图3所示，那么离子束贯穿迷你型脊形过滤器的山脊的高度就会增加，即：

H(θ)＝H/cos(θ) (3)

这个效应可以利用图2更加清楚地展示出来，上面所述的旋转即为图2中迷你型脊形过滤器向纸面内或向外倾斜一个角度θ。可以看到：迷你型脊形过滤器倾斜后不仅离子束贯穿山脊的高度增加了，而且贯穿迷你型脊形过滤器不同部位离子束的比例保持不变，即参与叠加形成展宽Bragg峰的不同能量离子束的权重并没有改变。因而，倾斜迷你型脊形过滤器后它对单能离子束Bragg峰的展宽效果仍然为高斯型分布的SOBP，且该SOBP的宽度也相应增加。仍以FWHM表示垂直放置迷你型脊形过滤器对离子束Bragg峰展宽形成高斯型分布SOBP的半高宽，以FWHM(θ)表示倾斜迷你型脊形过滤器θ角度后对离子束Bragg峰展宽形成SOBP的半高宽，则有下式的关系：

FWNM(θ)＝FWHM/cos(θ) (4)

本发明通过大量倾斜迷你型脊形过滤器对离子束Bragg峰展宽的计算模拟也证实了上面的关系式，倾斜后展宽峰的宽度与原先展宽峰的宽度及倾斜角度的关系用方程(4)来描述。结合方程式(1)和(4)我们可以得到，倾斜迷你型脊形过滤器一个角度θ后，在离子束三维适形调强照射治疗肿瘤时，通过倾斜迷你型脊形过滤器灵活改变展宽Bragg峰的宽度，对肿瘤靶区的分层厚度也可以得到改变，这时的分层厚度d(θ)与原先分层厚度d的关系为：

d(θ)＝d/cos(θ) (5)

方程式(5)说明，通过倾斜迷你型脊形过滤器也可以灵活改变对肿瘤靶区分层的厚度。

在治癌所用离子束的能量范围内(对于碳离子束能量在80～430MeV/u之间)，要求将迷你型脊形过滤器设置在距治疗装置等中心≥65cm的位置，这样就可利用离子束通过迷你型脊形过滤器时的多重散射，使得照射野在治疗装置等中心处达到横向上的剂量分布均匀。倾斜迷你型脊形过滤器，使得展宽Bragg峰宽度可变时，由于离子束穿越倾斜的迷你型脊形过滤器的路径增加，因而离子束在迷你型脊形过滤器中的多重散射效应增加，最终使得离子束贯穿迷你型脊形过滤器后形成的照射野在治疗装置等中心处横向上的剂量分布会更加均匀。因此，按通常的距离要求(即距治疗装置等中心≥65cm)放置迷你型脊形过滤器，那么倾斜迷你型脊形过滤器后也同样可以达到照射野横向上剂量均匀分布的治癌条件，甚至横向上的剂量分布均匀性会更好。

本发明的优点和产生的有益效果是：

以具体的例子来说明发明的效果。利用针对90MeV/u碳离子束设计的将束流Bragg峰展宽为4mmFWHM的高斯型分布SOBP的迷你型脊形过滤器治疗束流方向上3cm厚度的肿瘤靶区，根据方程(1)和(2)，需要束流对肿瘤靶区由深层到浅层照射16次。若利用本发明方法将迷你型脊形过滤器倾斜36.9°，根据方程(4)将得到5mmFWHM的SOBP，那么需要束流对肿瘤靶区由深层到浅层照射13次；若利用本发明方法将迷你型脊形过滤器倾斜48.2°，根据方程(4)将得到6mmFWHM的SOBP，那么需要束流对肿瘤靶区由深层到浅层照射11次。将迷你型脊形过滤器从垂直束流(即0°)倾斜到36.9°和48.2°，迷你型脊形过滤器对90MeV/u碳离子束Bragg峰展宽的情况如图4所示。由于对肿瘤靶区的分层照射次数减少，因而患者每分次照射治疗的时间也相应减少，从而提高了离子束治疗装置每天接受患者治疗的能力，这对减少离子束治疗的费用也非常有利。另一方面，利用200MeV/u碳离子束治疗介于组织深度84.5mm到54.5mm之间3cm厚度的肿瘤靶区，当肿瘤靶区的照射剂量为1Gy(离子束治疗时典型的肿瘤靶区分次剂量)时，束流穿越0°、36.9°和48.2°倾斜的迷你型脊形过滤器后治疗肿瘤靶区最浅一个分层所需要的离子通量分别为1.056×10⁶、1.307×10⁶和1.569×10⁶ions/cm²。可见肿瘤靶区分层的减少也致使每分层，特别是较浅分层上离子通量的增加，因而治疗控制系统对照射剂量的控制精度也相应增加。

附图说明

图1为离子束三维适形调强照射治疗的原理图，其中1：离子束，2：迷你型脊形过滤器，3：体表，4：肿瘤靶区，5：具有展宽Bragg峰的离子束的深度剂量分布，6：单能离子束的深度剂量分布。

图2为离子束贯穿迷你型脊形过滤器的示意图，其中1：迷你型脊形过滤器，2：离子束。

图3本发明放置迷你型脊形过滤器的示意图，其中1：迷你型脊形过滤器，2：离子束。

图4本发明倾斜迷你型脊形过滤器对碳离子束Bragg峰的展宽效果，其中1为90MeV/u单能碳离子束的Bragg曲线；2为0°设置迷你型脊形过滤器对束流Bragg峰的展宽(4mmFWHM)；3为36.9°设置迷你型脊形过滤器对束流Bragg峰的展宽(5mmFWHM)；4为48.2°设置迷你型脊形过滤器对束流Bragg峰的展宽(6mmFWHM)。

图5200MeV/u碳离子束三维适形调强治疗处于组织深度介于54.5mm到84.5mm之间3cm厚度肿瘤靶区时的深度剂量分布，其中1为0°设置迷你型脊形过滤器对束流的Bragg峰进行展宽，肿瘤靶区剂量均匀性98.55％；2为36.9°设置迷你型脊形过滤器对束流的Bragg峰进行展宽，肿瘤靶区剂量均匀性98.15％；3为48.2°设置迷你型脊形过滤器对束流的Bragg峰进行展宽，肿瘤靶区剂量均匀性97.95％。

具体实施方式

如图1所示，迷你型脊形过滤器2垂直放置于束流线1中，置于患者体表3前，迷你型脊形过滤器2设置在距治疗装置(专利号：200620164842.1)等中心距离≥65cm的位置处。

利用200MeV/u碳离子束和针对90MeV/u碳离子束设计的迷你型脊形过滤器对处于患者体内深度介于54.5mm到84.5mm之间3cm厚度的肿瘤靶区进行三维适形调强治疗。以迷你型脊形过滤器2中部垂直山脊的方向为轴，旋转迷你型脊形过滤器2向纸面内或外倾斜一个角度θ(见图3)。在0°、或36.9°、或48.2°分别设置迷你型脊形过滤器2时，这些设置的迷你型脊形过滤器2对90MeV/u碳离子束Bragg峰的展宽效果分别为4mm、或5mm、或6mmFWHM的SOBP，如图4所示。在0°设置迷你型脊形过滤器2采用2mm间隔对肿瘤靶区进行分层，那么36.9°和48.2°设置迷你型脊形过滤器2就可分别采用2.5mm和3mm间隔对肿瘤靶区进行分层治疗。上述三种情况下对肿瘤靶区分层的照射次数分别为16、13和11次，实施完三维适形调强照射后患者体内的深度剂量分布如图5所示。由图5所示结果可以得到，肿瘤靶区范围内(54.5mm到84.5mm之间)的剂量均匀性分别为98.55％、98.15％和97.95％。由此可见，尽管迷你型脊形过滤器倾斜从0°到48.2°，迷你型脊形过滤器增大展宽Bragg峰的宽度从4mmFWHM到6mmFWHM和肿瘤靶区分层厚度从2mm到3mm，三维适形调强治疗后靶区的剂量均匀性从98.55％到97.95％，略微有所降低。按临床治疗要求靶区均匀性要好于95％来说，倾斜迷你型脊形过滤器做离子束三维适形调强治疗后靶区的剂量均匀性98.55％到97.95％仍然满足临床治疗的要求，由此证明本发明方法是可行的。

Claims

1、一种离子束三维适形调强治疗中灵活改变展宽Bragg峰宽度的方法，迷你型脊形过滤器(2)垂直放置于束流线(1)中，置于患者体表(3)前，与肿瘤靶区(4)的中心处于束流轴线上，平行入射的离子束(1)通过在脊形过滤器(2)中的多重散射，达到距迷你型脊形过滤器(2)设置到治疗装置中心≥65cm的位置中心处横向上的剂量均匀时，其特征是以迷你型脊形过滤器(2)中部垂直山脊的方向为轴，旋转迷你型脊形过滤器(2)一个角度θ。

2、根据权利要求1所述的一种离子束三维适形调强治疗中改变展宽Bragg峰宽度的方法，其特征是上述迷你型脊形过滤器(2)倾斜的角度θ为0°～90°之间。